氮化镓(GaN)晶体管在现代高频和高功率电子设备中迅速崛起，应用范围从5G基站到消费设备的紧凑型电源适配器。其独特的材料特性，如宽禁带、高电子迁移率和优良的热导率，使其在许多苛刻的应用中优于传统的硅基晶体管。

然而，尽管有这些优势，氮化镓器件长期以来受限于一个根本的权衡：在“关”态下提高能效(通过抑制漏电流)通常会以“开”态性能(降低电流驱动和开关速度)为代价。这一由所谓的肖特基极限所主导的权衡，成为氮化镓技术进一步发展的重要障碍。

加州大学伯克利分校和斯坦福大学的科学家们证明，将具有负电容特性的铁电材料(特别是如铪锆氧化物(HZO)等铁电层)集成到氮化镓晶体管中，能够打破这一权衡。

通过增强栅极控制并同时实现高开态电流和低关态漏电，负电容有潜力改善氮化镓器件性能，并为电力电子和电信领域开辟新的可能性。

本文探讨了负电容的基本原理、其增强氮化镓晶体管的技术机制，以及由此带来的行业和未来技术的影响。

肖特基极限：氮化镓器件中的根本权衡

氮化镓高电子迁移率晶体管(HEMT)核心在于性能与效率之间的微妙平衡。肖特基栅极结构为金属接触，放置在分层的氮化镓/铝镓氮异质结构上，形成二维电子气(2DEG)，允许快速开关和高电流驱动。然而，这一结构在高电压下容易出现电子泄漏，浪费能源并影响器件可靠性。

为了减少泄漏，工程师们传统上在栅极和半导体通道之间添加介电层(绝缘层)。虽然这种更厚的介电层在关态有效地阻止了漏电流，但也增加了栅极与2DEG之间的物理距离。这反过来削弱了栅极对通道的静电控制，降低了开态电流并减缓了开关速度。结果是一个逆向关系，即肖特基极限：在关态效率提高的同时，开态性能直接受到影响。

这一权衡一直是一个持续的挑战，尤其是在对高功率、高频率和更紧凑的设备需求不断增长的情况下。无法同时实现低泄漏和高电流限制了氮化镓晶体管的可扩展性和效率，特别是在5G基础设施、电动汽车和先进电源等应用中。

负电容：打破权衡

负电容的概念为克服肖特基极限提供了根本新的方法。负电容在某些铁电材料中产生，这些材料具有负微分电容区域。在实际应用中，这意味着在铁电层上电压的减少可以导致存储电荷的增加，有效地放大施加于晶体管的栅极电压。

加州大学伯克利分校和斯坦福大学的研究人员证明，通过在氮化镓HEMT的栅极堆叠中集成一层厚仅为1.8纳米的铪氧化物和锆氧化物双层，可以利用负电容效应。铁电HZO层保持的内部电场反对施加的栅极电压，从而增强栅极对2DEG通道的控制。

这带来了以下优势：

· 增强的栅极控制：即使在更厚的介电层(抑制泄漏)下，栅极仍能强烈调制通道，提高开态电流。

· 抑制泄漏：更厚的介电层在关态继续阻止漏电流，提高了能效。

· 打破肖特基极限：负电容效应使氮化镓晶体管能够同时实现高开态电流和低关态泄漏，这在以前被认为是不可能的。

实验结果令人鼓舞。具有HZO负电容层的器件表现出开态电流提高多达三倍，栅漏电流减少超过一个数量级，并且几乎没有滞后特性，确认其稳定可靠的操作。

铁电HZO集成的机制和好处

负电容在氮化镓器件中的成功依赖于铁电HZO的独特特性。与传统介电材料不同，HZO即使在纳米级厚度下也能保持强铁电性，使其非常适合用于先进的小型化设备。负电容效应放大栅极电压，增强2DEG中的电荷积累，使得在不牺牲关态效率的情况下实现更高的开态电流。

此外，HZO与现代CMOS制造工艺完全兼容，便于其在现有半导体制造线上集成。这种兼容性对于负电容氮化镓器件的可扩展性和商业可行性至关重要。HZO中的铁电域切换也为非易失性存储和逻辑应用等新功能打开了大门，进一步扩展了该技术的潜在影响。

从器件工程的角度来看，HZO和其他铁电材料的集成带来了：

高可扩展性：HZO在几纳米厚度下保持其铁电特性，使得进一步小型化设备成为可能，而不影响性能。

更快的开关和更低的功耗：HZO的快速极化切换转化为更快的器件操作和减少的能耗，对于高频和高功率应用至关重要。

增强的可靠性：能够使用更厚的介电层而不影响性能，提高了器件的稳健性和使用寿命，解决了工业和汽车应用中的关键问题。

行业影响、应用与前景

具有HZO负电容层的氮化镓晶体管正在积极探索一系列高影响力应用，包括：

· 5G基站和电信基础设施：负电容氮化镓晶体管的改进开关速度和能效，使其成为下一代无线网络的理想选择，在这些网络中，高频操作和可靠性至关重要。

· 功率电子与紧凑型电源：同时实现高开态电流和低关态漏电的能力使得在电源适配器、数据中心和电动汽车中能进一步小型化和提高效率。

· 先进的射频晶体管和高功率开关：该技术可能对射频放大器、雷达系统和工业电机驱动产生积极影响，这些领域的性能和效率至关重要。

业内专家，如加州大学圣巴巴拉分校的乌梅什·米什拉(Umesh Mishra)和杜克大学的亚伦·富兰克林(Aaron Franklin)，认为铁电层的集成是一个重要的进步，尤其是在解决高性能晶体管中的漏电流问题方面。研究界对这种方法的可扩展性及其在包括其他宽禁带材料(如碳化硅和金刚石)在内的广泛半导体设备中的适用性持乐观态度。

展望未来，持续的研究将集中在缩小器件尺寸、将负电容集成到商业氮化镓晶体管制造过程中，以及将应用扩展到高速度数据传输、下一代无线网络(6G及更高)和用于可再生能源和电动汽车的超高效电能转换系统等领域。